Comparative analysis of throughfall observations in six
different forest stands: Influence of seasons, rainfall- and stand characteristics
六种不同林分的穿透雨观测及对比分析： 季节动态、降水和林分特征的影响
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文章作者
第一作者&通讯作者
Helmholtz Centre Potsdam GFZ German Research Centre for Geosciences, Germany
信息来源：https://www.gfz-potsdam.de/en/staff/theresa.blume/sec44
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发表时间
期刊简介
研究进展
研究背景：
（1） 森林冠层显著影响降水再分配的空间格局和数量动态，且具有季节性差异。 在生长季 ， 入渗的雨水主要贮存在土壤非饱和带 （the unsaturated zone） ，以支持树木的正常生长；而在休眠季，由于截留损失、蒸散发和根系吸水过程减弱，雨水将持续下渗以补给地下水。
（2） 气候预测表明，年降水的数量和强度分布可能会发生变化： 夏季更干，降水时间缩短；冬季更湿，降水强度增加。
（3） 林分特征通常用基面积 （basal area）、 林分密度 （stand density） 和叶面积指数 （LAI, leaf area index） 加以描述 ，其中仅叶面积指数（落叶林和混交林）受季节影响较大。
研究不足：
冠层形态和降水特征均显著影响季节动态，但 鲜有研究考虑冠层形态季节差异的影响。
研究意义 ：
（1） 对比分析不同林分特征对降水再分配的调控作用，对于 维持偶发性干旱森林的树木供水及土壤地下水补给 至关重要。
（2） 确定应对气候变化、人为干扰及干旱胁迫的最适林分特征，有助于 加强森林管理和优化森林水资源配置 。
综上，该研究于2014年10月至2019年4月在德国莫利茨国家公园，分别测定了六种不同林分有叶期与无叶期的穿透雨和林分特征，并结合气象站获取的次降水数据，综合评估了季节动态、降水和林分特征对不同林分间穿透雨动态的影响。
研究目的
（1） 分析不同林分间穿透雨对降水特征的依赖程度。
（2） 识别林分特征对穿透雨季节动态的影响。
（3） 识别并区分降水特征和冠层形态的叠加季节效应 （superimposed seasonal effect） 。
实验概况
研究地区
德国莫利茨国家公园（Müritz National Park）（53°18′ N，13°9′ E）（图1），平均海拔63–115 m。
气象特征
年均温8.7 °C，年均降水量629 mm。
观测时间
2014年10月至2019年4月
研究对象
#1 欧洲山毛榉（Fagus sylvatica Lin.）
#2 欧洲赤松（Pinus sylvestris Linn.）
#3 无梗花栎（Quercus petraea (Mattuschka) Liebl.）
以上述三种树种的 混交林模式 或 单一林分模式 设置六种不同的林分（表1）。
数据测量与分析
水文气象因子
（1）相对湿度、气温、风速和大气饱和蒸气压差（vapor pressure deficit）由自动气象站测定。
（2）人工收集并测定穿透雨（图2）和次降水体积。
林分特征
（1）通过样地调查确定树龄、胸径、基面积、林分密度等指标（表1）。
（2）在夏季和冬季分别测量叶面积指数。
最优降水事件抉择
统计分析
（1）采用 the Tukey's honestly significant difference (HSD) test 分析 不同林分间穿透雨量 差异；采用 the t-test and the Wilcoxon rank sum test 分析 不同季节间穿透雨量 差异。
（2）采用 回归分析 确定 叶面积指数和穿透雨量的相关关系 。
（3）采用 线性统计模型 （linear statistical models）分析 穿透雨量与气象因子（主要是降水特征）的相关关系 。
研究结果
降水特征
（1）监测期间以 小降水事件为主 ，降水量小于10 mm的降水事件约占总场次的85%。
（2）夏季高强度降水事件多于冬季，而冬季的低强度降水事件更多，且降水量更少（图3）。
（3）降水量与最大降水强度的关系因季节而异。最大降水强度相近时，夏季降水事件的降水量低于冬季（图4）。
穿透雨对林分变化的响应
（1） 总穿透雨率 （所有降水事件产生的总穿透雨量与总降水量的比值）范围为51%–76%。 平均穿透雨率 由总穿透雨率除以降水事件总场次而得。前者 对季节差异响应较低 ，后者则 响应较高 。
（2） 落叶林和混交林冬季的穿透雨量显著高于夏季，而单一针叶林的穿透雨量在不同季节间无显著差异 （图5）。
（4） 最大降水强度较低时，落叶林和混交林的穿透雨量显著低于单一针叶林。 最大降水强度小于0.5 mm/h情况下，落叶林和混交林几乎无穿透雨产生 （图7） 。
叶面积指数与穿透雨的相关关系
夏季， 最大降水强度较低即0.5–2 mm/h时 ，叶面积指数与穿透雨量的相关性最显著 ； 冬季，叶面积指数与穿透雨量的相关性均较为显著 （最大降水强度大于6 mm/h时除外）（图8）。
拓展讨论
01
误差及不确定性 （error and uncertainties） 来源 ： （1）树叶及树木脱落的有机物等易堵塞冠层下的穿透雨收集装置； （2）通过延时图像的目视解译（visual inspection of time-lapse imagery）分离有叶期（夏季）和无叶期（冬季），不确定性较大。
02
落叶林的柔性叶片（flexible leaves）难以抵抗高降水强度下雨滴动能冲击，对雨水的拦截能力不足。 因此， 高降水强度往往带来高穿透雨产量。 同时，研究区特有的 沙质土壤由于其高渗透能力阻止了地表径流产生。 鉴于此， 高强度降水事件更有利于树木根系发展和地下水补给。
声明
本期内容仅代表编者对文章的理解，敬请阅读原文，欢迎感兴趣的老师和同学批评指正。
参引
Blume T, Schneider L, Güntner A. (2022) Comparative analysis of throughfall observations in six different forest stands: Influence of seasons, rainfall‐and stand characteristics. Hydrological Processes, 36(3):e14461.
https://doi.org/10.1002/hyp.14461
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END
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本期供稿：岳晓萍
四川巴中人，浙江农林大学生态学专业硕士研究生。研究方向为半干旱区典型灌木降水再分配及其生态意义。
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